Độ bền kéo và độ bền va đập của nhựa: cách đọc thông số cơ học

Độ bền kéo cho biết nhựa chịu lực kéo đến đâu, độ bền va đập cho biết nhựa chịu va chạm tốt đến mức nào. Cách đọc đơn vị, phép thử và chọn vật liệu.

Mở bảng thông số kỹ thuật của một loại hạt nhựa hay tấm nhựa, nhiều người gặp ngay một loạt ký hiệu khó hiểu: MPa, kJ/m², J/m, Izod, Charpy, có khía, không khía. Đọc sai mấy con số này thì rất dễ chọn nhầm vật liệu. Tấm nhựa nhìn cứng chắc nhưng rớt một cái là nứt, hoặc chi tiết chịu tải lâu ngày thì bị kéo giãn, biến dạng.

Khi chọn vật liệu gia công, hai chỉ số được hỏi nhiều nhất là độ bền kéo và độ bền va đập của nhựa. Hiểu đúng hai chỉ số này, người đặt hàng sẽ biết lúc nào nên ưu tiên vật liệu cứng, lúc nào cần vật liệu dai, và vì sao không thể chỉ nhìn một con số rồi chốt.

Độ bền kéo là ứng suất lớn nhất nhựa chịu được khi bị kéo giãn chậm, thường tính bằng MPa, cho biết vật liệu chịu tải tĩnh tốt đến đâu. Độ bền va đập là năng lượng nhựa hấp thụ trước khi gãy dưới một cú đập nhanh, đo bằng phép thử Izod hoặc Charpy, tính bằng kJ/m² hoặc J/m. Bền kéo cao chưa chắc chịu va đập tốt, nên cần đọc cả hai chỉ số trong cùng điều kiện thử.

Độ bền kéo của nhựa là gì?

Độ bền kéo là mức ứng suất lớn nhất mà một mẫu nhựa chịu được khi bị kéo từ hai đầu cho tới lúc chảy dẻo hoặc đứt. Ứng suất ở đây là lực chia cho diện tích mặt cắt của mẫu, nên con số không phụ thuộc mẫu to hay nhỏ. Đơn vị phổ biến là MPa (megapascal); 1 MPa tương đương lực 1 niutơn đè lên mỗi milimét vuông.

Trong phòng thí nghiệm, người ta tạo mẫu hình quả tạ, hai đầu to và khúc giữa thon, kẹp vào máy kéo rồi kéo với tốc độ không đổi. Máy ghi lại lực và độ dài của mẫu liên tục, từ đó vẽ ra đường cong ứng suất – biến dạng. Phần lớn chỉ số kéo trên bảng thông số đều đọc ra từ đường cong này. Phép thử kéo nhựa thường làm theo ISO 527 hoặc ASTM D638.

Giới hạn chảy và độ bền đứt khác nhau thế nào?

Với nhựa dẻo dai như PE hay PP, đường cong thường đi lên tới một đỉnh rồi hạ xuống. Lúc này mẫu bắt đầu thắt lại ở giữa, dài ra mà lực không tăng thêm. Điểm đỉnh đó gọi là giới hạn chảy, hay ứng suất chảy. Mẫu có thể giãn thêm khá nhiều rồi mới đứt, và ứng suất ngay lúc đứt gọi là độ bền đứt.

Khi thiết kế chi tiết chịu lực, giới hạn chảy thường quan trọng hơn độ bền đứt. Một khi đã chảy dẻo, chi tiết biến dạng vĩnh viễn và không còn giữ đúng hình dáng, dù chưa đứt. Với nhựa cứng giòn, mẫu có thể đứt gần như ngay tại đỉnh, nên hai giá trị này gần trùng nhau và bảng thông số đôi khi chỉ ghi một con số.

Mô đun đàn hồi và độ giãn dài cho biết gì?

Mô đun đàn hồi kéo là độ dốc của đoạn đầu đường cong, cho biết vật liệu cứng hay mềm. Mô đun càng cao, nhựa càng khó uốn và khó kéo giãn dưới cùng một lực. Đơn vị thường là MPa hoặc GPa. Đây là con số cần xem khi lo tấm nhựa bị võng, thành bồn bị phình hay thanh đỡ bị cong theo thời gian.

Độ giãn dài khi đứt, tính bằng phần trăm, cho biết mẫu dài thêm bao nhiêu so với ban đầu trước khi đứt. Giá trị lớn nghĩa là vật liệu dẻo, có khả năng báo trước bằng biến dạng thay vì gãy đột ngột. Giá trị nhỏ cho thấy vật liệu cứng nhưng ít khoan nhượng khi bị quá tải, hỏng là hỏng ngay.

Độ bền va đập của nhựa là gì?

Độ bền va đập là năng lượng nhựa hấp thụ trước khi gãy khi chịu một cú đập nhanh. Khác với phép thử kéo diễn ra chậm, phép thử va đập chỉ kéo dài trong tích tắc, mô phỏng tình huống rớt, va quẹt hoặc bị vật cứng đập vào. Chỉ số này trả lời một câu hỏi rất đời thường: lỡ tay làm rớt thì chi tiết có nứt không.

Thiết bị thử phổ biến là con lắc. Một búa nặng được nâng lên độ cao xác định rồi thả xuống, đập gãy mẫu. Phần năng lượng búa mất đi sau khi phá mẫu chính là năng lượng mẫu đã hấp thụ. Năng lượng hấp thụ càng lớn thì nhựa càng dai, càng ít khả năng vỡ vụn khi gặp va chạm.

Izod và Charpy khác nhau thế nào?

Hai phép thử con lắc phổ biến nhất là Izod và Charpy. Ở phép thử Izod, mẫu được kẹp đứng một đầu như cây cột, búa đập vào phần đầu tự do phía trên. Ở phép thử Charpy, mẫu nằm ngang trên hai gối đỡ, búa đập vào chính giữa. Izod thường làm theo ASTM D256 hoặc ISO 180, còn Charpy thường làm theo ISO 179.

Do cách gá mẫu và hình dạng mẫu khác nhau, kết quả Izod và Charpy không quy đổi trực tiếp cho nhau. Khi so hai loại nhựa, cần chắc chắn cả hai được thử bằng cùng một phương pháp, cùng loại mẫu. Lấy giá trị Izod của hãng này so với giá trị Charpy của hãng khác là cách so dễ dẫn tới kết luận sai.

Vì sao mẫu có khía lại quan trọng?

Nhiều bảng thông số ghi hai giá trị va đập: có khía và không khía. Mẫu có khía được cắt sẵn một rãnh chữ V nhỏ, giả lập vết xước, góc sắc hay lỗ khoan trên chi tiết thật. Rãnh này dồn ứng suất vào một điểm, khiến vết nứt dễ bắt đầu và lan nhanh hơn.

Có loại nhựa không khía thì đập không gãy, nhưng có khía thì gãy khá dễ; người trong nghề gọi là nhạy khía. Với chi tiết gia công có ren, rãnh, góc vuông hoặc lỗ bắt vít, độ bền va đập có khía sát thực tế hơn. Trên bảng thông số, ký hiệu NB nghĩa là mẫu không gãy trong điều kiện thử.

Cách đọc bảng thông số cơ học

Bảng thông số kỹ thuật của nhà cung cấp hạt nhựa hay tấm nhựa thường có bốn cột: tên chỉ số, phương pháp thử, đơn vị và giá trị. Nhiều tài liệu viết bằng tiếng Anh, nên biết tên gốc của từng chỉ số sẽ giúp đọc nhanh và không bỏ sót. Bảng dưới tóm tắt các dòng cơ học hay gặp nhất.

Đơn vị J/m và kJ/m² khác nhau thế nào?

Đơn vị J/m (jun trên mét) thường đi với phép thử Izod theo ASTM, lấy năng lượng chia cho bề dày mẫu tại vị trí khía. Đơn vị kJ/m² (kilojun trên mét vuông) thường đi với phép thử theo ISO, lấy năng lượng chia cho diện tích mặt cắt còn lại sau khía. Vì cách chia khác nhau, không thể so J/m với kJ/m² chỉ bằng phép đổi đơn vị đơn giản.

Những điều kiện thử cần xem kèm

• Phương pháp thử: ISO hay ASTM, Izod hay Charpy; khác phương pháp thì không so trực tiếp.
• Nhiệt độ thử: phần lớn giá trị đo ở nhiệt độ phòng; một số bảng có thêm giá trị ở nhiệt độ âm cho ứng dụng lạnh.
• Tốc độ kéo: kéo nhanh thường cho ứng suất cao hơn nhưng độ giãn dài thấp hơn so với kéo chậm.
• Cách tạo mẫu: mẫu ép phun, mẫu cắt từ tấm đùn, mẫu dày hay mỏng có thể cho kết quả khác nhau.
• Trạng thái mẫu: mẫu khô hay đã ổn định độ ẩm; yếu tố này ảnh hưởng rõ với nhựa hút ẩm như nylon (PA).

Cần nhớ rằng con số trên bảng thông số là giá trị điển hình đo trên mẫu chuẩn, không phải cam kết cho mọi chi tiết thành phẩm. Con số này dùng tốt nhất để so các vật liệu với nhau, còn độ bền thật của sản phẩm còn tùy thiết kế, độ dày và chất lượng gia công.

Vì sao bền kéo cao chưa chắc chịu va đập tốt?

Độ bền kéo đo khả năng chịu lực tác dụng chậm, còn độ bền va đập đo khả năng hấp thụ năng lượng khi bị đập nhanh. Một vật liệu rất cứng, mô đun cao, có thể chịu tải kéo lớn nhưng không có cách tiêu tán năng lượng của cú va chạm, nên vết nứt chạy rất nhanh. Vật liệu mềm dẻo hơn thì có thể biến dạng một chút để hấp thụ cú sốc.

Ví dụ dễ hình dung là ly thủy tinh và ly nhựa PP. Ly thủy tinh cứng hơn hẳn nhưng rớt xuống nền gạch thì vỡ, còn ly nhựa mềm hơn lại thường chỉ móp. Trong nhựa kỹ thuật, cứng và dai thường phải đánh đổi. Thêm chất độn khoáng để tăng độ cứng thường làm giảm độ dai, còn thêm thành phần cao su hoặc chọn loại copolymer thường giúp vật liệu dai hơn nhưng mềm hơn.

Những yếu tố nào làm thay đổi hai chỉ số này?

• Cấu trúc phân tử: mức kết tinh, chiều dài mạch và độ phân nhánh ảnh hưởng rõ tới độ cứng và độ dai; có thể đọc thêm về độ kết tinh của nhựa.
• Nhiệt độ sử dụng: nhiều loại nhựa giòn hơn khi lạnh và mềm hơn khi nóng, nên giá trị đo ở nhiệt độ phòng không đại diện cho mọi môi trường.
• Lão hóa ngoài trời: tia cực tím làm mạch polymer đứt dần, bề mặt nứt chân chim và độ dai thường giảm rõ; hiện tượng nhựa bị giòn do tia UV là ví dụ điển hình.
• Nguồn nguyên liệu: tỷ lệ phối trộn nhựa tái sinh, tạp chất và số lần nung chảy có thể làm cơ tính dao động; xem thêm khác biệt giữa nhựa nguyên sinh và nhựa tái chế.
• Độ chảy của hạt nhựa: cùng một loại nhựa, mác có chỉ số chảy MFI cao thường dễ ép phun hơn nhưng có xu hướng kém dai hơn mác MFI thấp.
• Chất lượng gia công: đường hàn, mối nối, ứng suất còn sót lại sau khi ép hoặc uốn nóng là những điểm yếu mà mẫu thử chuẩn không phản ánh.

Khi nào nên ưu tiên chỉ số nào?

Chi tiết chịu tải đều và lâu dài như giá đỡ, thanh treo, tấm chịu áp lực nên ưu tiên giới hạn chảy và mô đun. Chi tiết hay bị rớt, va quẹt, bốc xếp nhiều như thùng chứa, nắp đậy, vỏ che nên ưu tiên độ bền va đập có khía. Phần lớn ứng dụng thực tế cần cân bằng cả hai, nên đọc hai chỉ số cùng lúc rồi mới quyết định.

Chọn nhựa gia công dựa trên thông số

Với khách đặt gia công, bảng thông số chỉ thật sự hữu ích khi gắn với điều kiện làm việc cụ thể của sản phẩm. Trước khi so con số, nên trả lời rõ chi tiết sẽ chịu loại tải nào, trong bao lâu và ở môi trường nào. Nếu chưa nắm các nhóm vật liệu, nên xem trước phần phân loại nhựa công nghiệp để biết PP, PVC, PE, HDPE khác nhau ở đâu.

Các bước đọc thông số để chọn vật liệu

• Xác định kiểu tải: tải tĩnh kéo dài, tải lặp đi lặp lại hay va chạm bất ngờ.
• Xác định môi trường: nhiệt độ thấp nhất và cao nhất, có nắng trực tiếp hay không, có tiếp xúc hóa chất hay không.
• Lọc theo chỉ số chính: chịu tải lâu thì xem giới hạn chảy và mô đun; dễ va đập thì xem va đập có khía, kể cả giá trị ở nhiệt độ thấp nếu có.
• So cùng chuẩn: chỉ so các giá trị đo cùng phương pháp, cùng đơn vị và cùng điều kiện thử.
• Chừa hệ số an toàn: không để chi tiết làm việc sát giới hạn chảy, vì nhựa còn bị rão, tức là giãn dần khi chịu tải lâu ngày.
• Thử trên mẫu thật: với chi tiết quan trọng, nên làm mẫu rồi thử rớt, thử tải trước khi sản xuất số lượng lớn.

Bồn bể, thùng chứa cần lưu ý gì?

Thành bồn chịu áp lực chất lỏng suốt thời gian sử dụng, nên mô đun và giới hạn chảy quyết định bồn có phình, võng theo thời gian hay không. Đáy và góc bồn lại dễ bị va chạm khi vận chuyển, lắp đặt, nên độ dai có khía cũng cần quan tâm. Vì vậy các dòng bồn bể nhựa PP, PVC, PE hay thùng nhựa thường được chọn vật liệu theo cả chất chứa bên trong lẫn chỗ đặt bồn.

Một lưu ý hay bị bỏ qua: mối hàn thường yếu hơn tấm nguyên. Bảng thông số nói về vật liệu nền, còn độ bền thực tế của bồn hàn từ tấm phụ thuộc nhiều vào tay nghề hàn và thiết kế gân tăng cứng. Khi đặt gia công nhựa theo yêu cầu, nên trao đổi rõ tải trọng, chất chứa và nhiệt độ làm việc để bên gia công đề xuất vật liệu và độ dày phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

Độ bền kéo càng cao thì nhựa càng tốt phải không?

Không hẳn. Độ bền kéo cao chỉ cho biết nhựa chịu lực kéo chậm tốt. Nếu chi tiết hay bị va đập hoặc làm việc ở nơi lạnh, một vật liệu bền kéo cao nhưng giòn vẫn có thể nứt vỡ sớm. Vật liệu tốt là vật liệu có bộ chỉ số phù hợp với cách sản phẩm được dùng, chứ không phải vật liệu có một con số lớn nhất.

Có quy đổi kết quả Izod sang Charpy được không?

Không có công thức quy đổi đáng tin giữa hai phép thử. Izod kẹp mẫu một đầu, Charpy đặt mẫu trên hai gối, kích thước mẫu và cách tính kết quả cũng khác nhau. Muốn so hai loại nhựa, nên tìm giá trị đo cùng phương pháp, hoặc hỏi nhà cung cấp số liệu theo đúng chuẩn mình cần.

Vì sao cùng một loại nhựa mà các hãng ghi thông số khác nhau?

Cùng gọi là PP hay PE nhưng mỗi hãng có nhiều mác khác nhau về độ chảy, phụ gia, chất độn và cấu trúc mạch. Ngoài ra, điều kiện thử như cách tạo mẫu, tốc độ kéo, nhiệt độ cũng có thể khác. Vì vậy cần đọc kỹ tên mác và phương pháp thử, không chỉ nhìn tên chung của loại nhựa.

Nhựa để ngoài trời có giữ nguyên độ bền như bảng thông số không?

Thường là không. Bảng thông số đo trên mẫu mới, trong phòng thí nghiệm. Khi để ngoài trời, nắng, nhiệt và độ ẩm làm nhựa lão hóa dần, độ dai thường giảm trước khi mắt thường thấy rõ hư hại. Với ứng dụng ngoài trời, nên chọn mác có phụ gia chống tia cực tím và hỏi kỹ nhà cung cấp về khả năng chịu thời tiết.

Ký hiệu NB trên bảng va đập nghĩa là gì?

NB nghĩa là mẫu không gãy trong điều kiện thử, thường gặp ở phép thử không khía với nhựa dẻo dai. Ký hiệu này không có nghĩa nhựa không bao giờ gãy. Cùng vật liệu đó, khi thử có khía hoặc ở nhiệt độ thấp, vẫn có thể gãy, nên cần xem thêm giá trị có khía trước khi kết luận.

Những điểm cần nhớ

Đọc đúng độ bền kéo và độ bền va đập của nhựa giúp chọn vật liệu sát nhu cầu, tránh vừa tốn kém vừa hỏng sớm.

• Độ bền kéo và mô đun cho biết nhựa chịu tải tĩnh, chống võng tốt đến đâu.
• Độ bền va đập, nhất là giá trị có khía, cho biết nhựa chịu rớt, va quẹt tốt đến đâu.
• Chỉ so các con số đo cùng phương pháp, cùng đơn vị, cùng điều kiện thử.
• Nhiệt độ, tia cực tím, nguyên liệu và chất lượng gia công đều làm cơ tính thực tế khác bảng thông số.
• Với chi tiết quan trọng, nên làm mẫu và thử thực tế trước khi sản xuất loạt.

MTV Plastic với hơn 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực gia công nhựa chuyên nghiệp tại Hà Nội, hỗ trợ tư vấn miễn phí, thiết kế theo yêu cầu và giao hàng tận nơi.

Liên hệ ngay MTV Plastic: Hotline 0918.710.622 để được tư vấn chi tiết về lựa chọn vật liệu và gia công nhựa theo yêu cầu và nhận báo giá cạnh tranh nhất.